[論文レビュー] Search for pair-produced scalar and vector leptoquarks decaying into third-generation quarks and first- or second-generation leptons in pp collisions with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、ATLAS検出器を用いて、√s = 13 TeV の pp 衝突データ 139 fb⁻¹ を用いて、第3世代のクォークと第1または第2世代のレプトンに崩壊するペア生成されたスカラーおよびベクトルレプトクォークの探索を実施した。標準模型との著しいずれのずれも観測されず、生成断面積の上限および B 異常を説明するために提案された2つのベクトルレプトクォークモデルにおけるレプトクォーク質量の下限が、それぞれ 1980 GeV および 1710 GeV に設定された。

ABSTRACT

A search for pair-produced scalar and vector leptoquarks decaying into quarks and leptons of different generations is presented. It uses the full LHC Run 2 (2015-2018) data set of 139 fb$^{-1}$ collected with the ATLAS detector in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 13$ TeV. Scalar leptoquarks with charge -(1/3)e as well as scalar and vector leptoquarks with charge +(2/3)e are considered. All possible decays of the pair-produced leptoquarks into quarks of the third generation (t, b) and charged or neutral leptons of the first or second generation ($e, \mu, u$) with exactly one electron or muon in the final state are investigated. No significant deviations from the Standard Model expectation are observed. Upper limits on the production cross-section are provided for eight models as a function of the leptoquark mass and the branching ratio of the leptoquark into the charged or neutral lepton. In addition, lower limits on the leptoquark masses are derived for all models across a range of branching ratios. Two of these models have the goal of providing an explanation for the recent B-anomalies. In both models, a vector leptoquark decays into charged and neutral leptons of the second generation with a similar branching fraction. Lower limits of 1980 GeV and 1710 GeV are set on the leptoquark mass for these two models.

研究の動機と目的

• 第3世代クォークおよび第1または第2世代レプトンと結合するペア生成されたスカラーおよびベクトルレプトクォークの探索を、B メソン崩壊における異常を動機として行う。
• 観測された B 異常およびミュオン g-2 のずれを説明できる可能性があるレプトクォークモデルの検証を行う。
• 中程度から小さい崩壊比率の領域における感度を向上させるために、高い見かけない横方向運動量と複数のジェットを伴う単一レプトン最終状態を用いる。
• 8つの異なるモデルに対して、レプトクォーク生成断面積のモデルに依存しない上限およびレプトクォーク質量の下限を導出する。

提案手法

• 本分析では、LHC の Run 2 データ 139 fb⁻¹ を用い、ATLAS 検出器が √s = 13 TeV の pp 衝突から収集したデータを用いた。
• イベント選別は、1つの電子またはミュオン、高い見かけない横方向運動量、および少なくとも4つのジェット（ヒッグス粒子のバリオン的崩壊に由来する b ジェットを含む）を伴う最終状態に焦点を当てた。
• 信号とバックグラウンドを分離するために、スカラーおよびベクトルレプトクォークモデルの間で運動論的挙動が異なる低崩壊比率領域において、別々のトレーニングを実施した専用のニューラルネットワークを訓練した。
• ニューラルネットワーク出力に基づいて信号領域を定義し、バックグラウンド推定の妥当性を検証するために制御領域を用いた。
• ジェットエネルギースケール、レプトン再構築、見かけない横方向運動量など、さまざまな系統的不確実性を評価した。
• 統計的解釈には、断面積の上限を設定し、レプトクォーク質量の下限を導出するために、プロファイル尤度比検定を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 139 fb⁻¹ の 13 TeV pp 衝突データにおいて、第3世代クォークと第1または第2世代レプトンに崩壊するペア生成されたレプトクォークは観測可能か？
• RQ2 観測されたデータは、B 異常およびミュオン g-2 のずれを説明できるベクトルレプトクォークの存在を支持するか？
• RQ3 異なるモデルおよび崩壊比率におけるレプトクォーク生成断面積の上限は何か？
• RQ4 B 異常を説明することを目的としたモデルにおけるレプトクォーク質量の下限は何か？
• RQ5 高い見かけない横方向運動量を伴う単一レプトン最終状態において、ニューラルネットワークは信号とバックグラウンドを分離するのにどの程度効果的か？

主な発見

• 解析したすべての信号領域において、標準模型の期待値から著しいずれのずれも観測されなかった。
• 8つの異なるモデルについて、レプトクォーク質量および電荷を帯びたまたは中性のレプトンへの崩壊比率の関数として、レプトクォーク生成断面積の上限が提示された。
• B 異常を説明するために設計された2つのベクトルレプトクォークモデルにおいて、レプトクォーク質量の下限がそれぞれ 1980 GeV および 1710 GeV に設定された。
• 以前の二レプトン最終状態の探索と比較して、中程度から小さい崩壊比率領域における感度が向上した。
• 結果は標準模型と整合的であり、B 異常およびミュオン g-2 のずれを説明することを目的としたレプトクォークモデルを制限した。
• 本研究は、トップクォーク崩壊を伴う単一レプトン最終状態におけるペア生成レプトクォークに対して、これまでで最も厳密な制限を提供した。